Современное использование топливных элементов

В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в т. ч. и в нашей стране), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.).

Примеры использования топливных элементов в различных областях приведены в табл. 1.

Таблица 1 Область применения топливных элементов

Область применения Номинальная мощность Примеры использования Стационарные установки 5–250 кВт и выше Автономные источники тепло- и электроснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, источники бесперебойного питания, резервные и аварийные источники электроснабжения Портативные установки 1–50 кВт Дорожные указатели, грузовые и железнодорожные рефрижераторы, инвалидные коляски, тележки для гольфа, космические корабли и спутники Мобильные установки 25–150 кВт Автомобили (опытные образцы создали, например, «DaimlerCrysler», «FIAT», «Ford», «General Motors», «Honda», «Hyundai», «Nissan», «Toyota», «Volkswagen», ВАЗ), автобусы (например, «MAN», «Neoplan», «Renault») и другие транспортные средства, военные корабли и субмарины Микроустройства 1–500 Вт Мобильные телефоны, ноутбуки, карманные компьютеры (PDA), различные бытовые электронные устройства, современные военные приборы

Топливный элемент — относительно простое устройство. В нем есть два электрода: анод (отрицательный электрод) и катод (положительный электрод). На электродах происходит химическая реакция. Чтобы ее ускорить, поверхность электродов покрывается катализатором. Топливный элемент также содержит электролит, переносящий заряженные частицы от одного электрода к другому. Чтобы происходила реакция, необходимо еще два компонента: кислород и, конечно же, топливо. Большинство конструируемых сейчас топливных элементов используют в качестве топлива водород.

Водородный аккумулятор вырабатывает электричество в ходе химических реакций. Водородное топливо попадает в элемент и после серии химических реакций соединяется с кислородом, образуя воду и электрический ток.

На мембране обмена протонов или мембране полимерного электролита (МПЭ) элемента водородное топливо попадает на анод, где разделяется на электроны и ионы водорода. Электроны выносят заряд из аккумулятора, а ионы движутся в нем. На катоде ионы реагируют с кислородом и электронами, образуя воду.

Как это работает

Все водородные аккумуляторы работают по одному принципу, отличаясь незначительно, в зависимости от вида батареи. Водородное топливо попадает в аккумулятор через анод. На аноде происходит окисление, когда положительные ионы (протоны) удаляются из атомов водорода в ходе химической реакции в присутствии катализатора. Анод - пористый, поэтому водород может проходить сквозь него. Поверхность катода так же имеет поры, чтобы через них проходил кислород.

Электролит проводит заряженные ионы от анода к катоду. При этом электроны направляются во внешнюю цепь. Так появляется электрический ток.

На катоде происходит реакция, когда электроны соединяются с положительными ионами водорода и кислородом, образуется вода. Вода вытекает из аккумулятора. Если в качестве топлива используется чистый водород, то никаких побочных продуктов больше нет. Если водород содержит примеси, то образуется небольшой объем других газов. Некоторые аккумуляторы работают при очень высоких температурах, образуя много тепла.